空间太阳能电站及无线能量传输

空间太阳能电站及无线能量传输

摘要：空间太阳能电站是一项非常庞大的系统工程，几乎牵涉到各个技术行业。它能为人类社会提供源源不断的能源，从而彻底解决能源问题。

而无线能量传输技术是空间太阳能电站的主要关键技术，亟待突破。

关键词：空间太阳能电站，无线能量传输，激光，能量

引言

随着人类社会的快速发展，人类所面临的能源问题和环境问题越来越突出，据估计包括化石能源在内的所有能源储量仅能够人类使用200～300年左右。目前全球原油年消耗量约为３５亿ｔ，而亚洲的原油年消耗量正在激增中。在今后２５年中，全球原油平均每年消耗将达５０亿ｔ，足以把现已探明的全部储量耗尽。中国人均能源消耗约为世界人均能源消耗的１／２，为发达国家的１／１０，为美国的１／１３。比其他任何国家更快遇到能源短缺问题。我国如不及早地开展从根本上解决能源问题的研究能源危机将会严重制约我国经济的发展，甚至威胁到国家的安全。

而风能、潮汐能、水电能、地面太阳能、地热能等都由于各种各样的限制而无法为人类提供全面的能源需求。剩下的就只有核聚变能和空间太阳能，而核聚变能在50年能否实现商业化还是一个问题，而空间太阳能电站在20～30年内有可能实现商业化，且大气层外没有云层、雾、尘埃等，太阳光线不会被减弱，强度是地面上的7～15倍。且太阳光的辐射能量十分稳定，在静止轨道上建设的太阳能电站1年中99%的时间是白天，其利用效率比在地面上高出6～15倍。所以，太阳能空间站的使用将极大缓解人类社会的能源紧张局面。

空间太阳能电站（Space Solar Power Station，简称SSPS）的构成1968年，美国的Peter Glaser博士提出了太阳能发电卫星（Solar Power Satellite，简称SPS）。其基本构想是在地球外层空间建立太阳能发电卫星基地，利用取之不尽的太阳能来发电，然后通过微波将电能送到地面的接收（天线）装置。再将所接收的微波能束转变成电能供人类使用…

空间太阳能发电系统基本由三部分组成：太阳能发电装置、能量的转换和发射装置以及地面接收和转换装置．太阳能发电装置将太阳能转化成为电能；能量

转换装置将电能转换成微波或激光，并利用天线向地面发送能量；地面接收系统利用地面天线接收空间发射来的能量，通过转换装置把其转换成为电能供人类使用。整个过程经历了太阳能一电能一微波一电能的能量或者太阳能一激光一电能转变过程。

空间太阳能电站的关键技术

a、低成本、高效率、强抗辐射的光电能量转

需要发展聚光太阳电池和薄膜太阳电池，以减轻产品质量，增强抗辐射能力，降低生产成本。

b、低成本的地面与轨道间的运输

运输成本与每次发射的有效载荷包装的大小有关。大包装（80t）有利于减少发射和太空组装次数，但需研制重型运载器；小包装（20t左右）则可利用成熟的运载器或运输系统，节省成本，但运输和空间组装次数相应增加。当前使用的运载火箭和航天飞机的发射成本仍然居高不下，平均在２００００美元／ｋｇ以上，应尽量使之降到４００美元／ｋｇ以下。

ｃ、无线能量传输（Wireless Power Transmission）

无线能量传输技术是空间太阳能电站最关键的技术。无线能量传输主要有微波和激光两种，激光穿过大气时损耗太大，故目前主要考虑用微波。首先，要提高微波发生器将电流转化为微波的效率，提高地面硅整流二极管的接受和转化效率，以及其它微波器件的效率。其次，要解决微波波速的生成和指向控制技术。第三，要确定微波频率的选择。

d、电力管理与分配

要研制高温超导体输电电缆、长寿命高可靠制冷器、高效直流/交流变换器、有多重冗余的可重构自主电力系统网以及新型的绝缘散热材料。

e、太空自主组装及机器人

未来在太空建造太阳电站时，简单的、规范化的组装任务由结构和部件模块自主完成，复杂的组装、维修和服务任务由机器人辅助完成。要在航天飞机和国际空间站遥控操作臂的基础上，发展遥控机器人，继而研究6自由度的机器人。

ｆ、结构与部件的高度模块化和批量生产

太阳电站的结构与部件需制作成大小适中，具有高包装效率的模块，使其能用成熟的运载器或运输系统发射，便于在太空自主装配、在轨维修和更换。

ｇ、轻型、长寿命的结构及其部件

为降低发射成本，需研制超轻量的展开式结构、充气膨胀结构和创新的多功能结构，以及耐空间辐射环境的轻型复合材料。

无线能量传输技术的分析和实例

无线能量传输分为微波传输和激光传输，是空间太阳能电站的关键技术。在空间将太阳能转换成电能或激光，通过WPT传输到地面，再通过微波或激光接收装置转换回电能。

微波传输能量的分析

目前来看，微波无线能量传输技术相对更为可行。1964年，一个2.4kg重的无线电力传输直升飞机进行了验证，接收功率达到270Ｗ，飞行高度为15m。1975年，更大功率的微波电力传输试验在美国的JPL试验成功，传输距离达到1.6ｋｍ，接收功率达到３０ｋＷ，接收端的直流转化效率达到0.84。日本已进行了几次空间微波电力传输试验，主要研究微波波束在空间等离子体环境下的相互作用。

在地球大气层外，太阳在单位时间内投射到日地平均距离处，且垂直于射线方向地单位面积上地全部辐射能，叫做太阳常数。美国宇航局标准取太阳常数为135.3mW／cm^2。美国的“参考系统”太阳能空间发电卫星设计位于地球同步轨道，发射时的能量密度为23mＷ／cm^2；日本设计的SPS2000位于低轨道，发射时能量密度为57.4ｍW／ｃｍ＇．到达地面时的能量密度为0.9ｍW／cm^2。目前国际上关于微波使用的安全性标准：美国和西欧为10mW／cm^2：日本为5ｍW／ｃｍ^2。所以传输电能的微波不会对地球表面生物造成伤害。同时，SPS 不会引起致命的病变，在这方面也不会有大规模杀伤性。这也就意味着，“作为武器，水枪比SPS更有效。”Moss认SPS“微波光束列始终在接收站的绝对控制下，稍稍偏离天线的精确轨道，就会迅速关闭。并且，最重要的是，接触微波能并不会致命。它不象激光那样具有热‘攻击性’，也不象X光辐射那样离子化微波的频率为2.45GHz或5.8GHz，这是分配给工业，科学和医疗使用的频率，不会对通讯造成影响。但是空间太阳能发电卫星发出的微波束穿过电离层和大气层到达地面时，大功率微波将与空间等离子体、大气粒子相互作用，在波束通过的区域和临近区域引起一些变化，如电子被加热，电离度增大，激励产生等离子体波等；同时微波束的特性也将被改变。这些问题需要研究和实验。